半電極含金屬芯壓電纖維能量收集研究與優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、現(xiàn)代社會計算機互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速發(fā)展，各種無線設(shè)備的廣泛應(yīng)用，使得為無線設(shè)備提供穩(wěn)定安全的能源成為科學家們研究的熱點。如今市場上無限設(shè)備的電源器件主要是化學電池。但是化學電池一般含有強酸或強堿溶液，還含有重金屬元素，使用回收不當將會污染環(huán)境。這些缺陷使化學電池在未來的應(yīng)用受到限制。故而在某些領(lǐng)域，以壓電效應(yīng)原理為理論基礎(chǔ)的壓電能量收集裝置將取代化學電池，逐漸成為研究重點。壓電能量收集裝置的核心部件是裝置內(nèi)部的壓電結(jié)構(gòu)。目

2、前最常用壓電結(jié)構(gòu)是壓電懸臂梁晶體片結(jié)構(gòu)。但是隨著壓電能量收集裝置的廣泛使用，已存在的一些懸臂梁晶體片結(jié)構(gòu)不能滿足壓電能量收集裝置在各種場合的使用。因而各種特殊高效的壓電結(jié)構(gòu)被設(shè)計分析。故本文主要根據(jù)壓電振動收集原理，分析研究一種半電極含金屬芯的壓電纖維結(jié)構(gòu)，分析該纖維結(jié)構(gòu)的能量轉(zhuǎn)化效率并對纖維結(jié)構(gòu)加以優(yōu)化設(shè)計。
　　半電極含金屬芯壓電纖維是一種圓柱形結(jié)構(gòu)的壓電纖維。纖維中心是圓柱形金屬芯，金屬芯外層包裹著等厚度的壓電材料，再在壓電

3、材料外層一半的表面上鍍上一層薄金屬膜。半電極含金屬芯壓電纖維作為懸臂梁結(jié)構(gòu)使用時，其軸向長度遠遠大于纖維半徑。本文中通過施加作用力于纖維一端，分析纖維的彎曲振動。根據(jù)纖維結(jié)構(gòu)求出纖維的能量轉(zhuǎn)換效率的方程。文中通過改變纖維能量轉(zhuǎn)化效率方程參數(shù)（內(nèi)徑比、柔度比和耦合系數(shù)），分析出纖維能量轉(zhuǎn)換效率跟隨各個參數(shù)的變化趨勢，求出可以得到最高的能量轉(zhuǎn)化效率的纖維參數(shù)。
　　本文采用能量分析的方法建立了半電極含金屬芯壓電纖維在末端作用力下的能量